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MAC简介

MAC（Media Access Control）地址用来定义网络设备的位置。MAC地址由48比特长、12位的16进制数字组成，其中从左到右开始，0到23bit是厂商向IETF等机构申请用来标识厂商的代码，24到47bit由厂商自行分派，是各个厂商制造的所有网卡的一个唯一编号。

MAC地址可以分为3种类型：

物理MAC地址：这种类型的MAC地址唯一的标识了以太网上的一个终端，该地址为全球唯一的硬件地址；

广播MAC地址：全1的MAC地址为广播地址（FF-FF-FF-FF-FF-FF），用来表示LAN上的所有终端设备；

组播MAC地址：除广播地址外，第8bit为1的MAC地址为组播MAC地址（例如01-00-00-00-00-00），用来代表LAN上的一组终端。

MAC原理描述

MAC地址表是一张二层转发表，用于存放该设备所学习到的其它设备的MAC地址信息。

MAC地址表的定义和分类

MAC地址表的定义

MAC地址表记录了交换机学习到的其他设备的MAC地址与接口的对应关系，以及接口所属VLAN等信息。设备在转发报文时，根据报文的目的MAC地址查询MAC地址表，如果MAC地址表中包含与报文目的MAC地址对应的表项，则直接通过该表项中的出接口转发该报文；如果MAC地址表中没有包含报文目的MAC地址对应的表项时，设备将采取广播方式在所属VLAN内除接收接口外的所有接口转发该报文。

MAC地址表的分类

MAC地址表中的表项分为：动态表项、静态表项和黑洞表项。另外交换机的MAC地址表中还存在一种业务类型的MAC地址表项，譬如：安全MAC、MUX MAC、Authen MAC、Guest MAC等。该类MAC地址表项是由对应业务维护的，一般是通过动态表项转换来的。

表1 不同MAC地址表的特点和作用

MAC地址表类型	特点	作用
动态表项	由接口通过报文中的源MAC地址学习获得，表项可老化。在系统复位、接口板热插拔或接口板复位后，动态表项会丢失。	通过查看动态MAC地址表项，可以判断两台相连设备之间是否有数据转发。通过查看指定动态MAC地址表项的个数，可以获取接口下通信的用户数。
静态表项	由用户手工配置，并下发到各接口板，表项不可老化。在系统复位、接口板热插拔或接口板复位后，保存的表项不会丢失。接口和MAC地址静态绑定后，其他接口收到源MAC是该MAC地址的报文将会被丢弃。一条静态MAC地址表项，只能绑定一个出接口。一个接口和MAC地址静态绑定后，不会影响该接口动态MAC地址表项的学习。	通过绑定静态MAC地址表项，可以保证合法用户的使用，防止其他用户使用该MAC进行攻击。
黑洞表项	由用户手工配置，并下发到各接口板，表项不可老化。在系统复位、接口板热插拔或接口板复位后，保存的表项不会丢失。配置黑洞MAC地址后，源MAC地址或目的MAC地址是该MAC的报文将会被丢弃。	通过配置黑洞MAC地址表项，可以过滤掉非法用户。

MAC地址表的组成和作用

MAC地址表的组成

MAC地址表是以MAC地址和VLAN ID或VSI为索引来唯一标识。当一台目的主机属于多个VLAN或VSI时，在MAC地址表中就会存在相同MAC地址拥有多个不同VLAN ID或VSI的情况。表1中是四条不同的MAC地址表项。如第一条MAC地址表项的作用是：从设备任意接口进入的目的MAC为00e0-fc12-3456，VLAN ID为10的报文，都会从10GE3/0/1接口转发出去。

表1 MAC地址表项

MAC地址	VLAN ID/VSI名称	出接口
00e0-fc12-3456	10	10GE3/0/1
00e0-fc12-3456	20	10GE2/0/4
00e0-fc12-3457	30	Eth-Trunk20
00e0-fc12-3457	device	10GE2/0/5

MAC地址表的作用

MAC地址表用于指导报文进行单播转发。如图1中，PC1发往PC3的报文，在到达交换机Switch时，根据报文中的目的MAC地址MAC3和VLAN10查询交换机的MAC地址表，获取出接口Port3，然后报文直接从接口Port3转发到PC3，完成数据的转发。

图1 基于MAC地址表的转发流程图

MAC地址学习和老化

MAC地址学习过程

一般情况下，MAC地址表是设备根据收到的数据帧里的源MAC地址自动学习而建立的。

如图1，HostA向SwitchA发送数据时，SwitchA从数据帧中解析出源MAC地址（即HostA的MAC地址）和VLAN ID。

如果MAC地址表中不存在该MAC地址表项，设备则将这个新MAC地址以及该MAC地址对应的PortA和VLAN ID作为一个新的表项加入到MAC地址表中。

如果MAC地址表中已经存在该MAC地址表项，设备将通过重置该表项的老化时间，对该表项进行更新。

所以设备在收到数据帧时，才会触发MAC地址的学习和刷新。

MAC地址老化过程

为适应网络的变化，MAC表需要不断更新。MAC表中自动生成的表项（即动态表项）并非永远有效，每一条表项都有一个生存周期，到达生存周期仍得不到更新的表项将被删除，这个生存周期被称作老化时间。如果在到达生存周期前记录被更新，则该表项的老化时间重新计算。

图2 MAC地址老化过程示意图

如图2所示，设备MAC地址老化时间设置为T。在t1时刻有源MAC地址为00e0-fc00-0001、VLAN为1的报文从某接口进入。假定该接口已加入VLAN 1。如果之前MAC地址表不存在关于(MAC: 00e0-fc00-0001，VLAN: 1)的任何种类表项，那么这个地址就会作为动态MAC地址表项学习到地址表里，同时该表项的命中标志位被置1。

设备周期性(每经过T时间)地对所有学习到的动态MAC地址表项进行检查。

在t2时刻，检查到动态表项(MAC: 00e0-fc00-0001，VLAN: 1)的命中标志位为1，则将该表项的命中标志位置为0，但不删除这条表项。
在t2时刻和t3时刻之间没有这种报文进入设备，那么该表项的命中标志位会一直保持为0。
在t3时刻，设备检查到该表项的命中标志位为0，认为该表项的老化时间到达，将删除此条表项。

如上所述，通过自动老化，一条动态表项在MAC地址表存在的最短时间是设备所配置的老化时间T到2T之间。

设备MAC地址老化时间可手动设置。通过设置此时间，可以灵活控制动态学习到的MAC表项在MAC地址表存在的时间。

MAC地址学习控制

由于MAC地址表的容量是有限的，当黑客伪造大量源MAC地址不同的报文发送到设备后，设备上的MAC地址表项资源可能会被耗尽。当MAC表被填满后，即使它再收到正常的报文，也无法学习到报文中的源MAC地址，导致报文广播转发，浪费带宽资源。

为了解决以上问题，设备提供了两种方式对MAC地址学习进行控制：

基于VLAN或接口关闭学习MAC能力

基于VLAN或接口限制MAC地址数

表1 MAC地址学习控制方式说明

MAC地址学习控制方式	原理描述	典型应用场景
基于VLAN或接口关闭学习MAC能力	某个VLAN或接口关闭学习MAC能力后，将不再自动学习到新的动态MAC地址表项。之前学习到的动态表项在老化时间到达后自动删除，也可以手工执行删除MAC命令，将这些表项删除。	多数情况下，一个黑客发送的攻击报文是从同一个接口进入设备，在这个接口上配置关闭学习MAC能力或配置MAC地址学习限制，可避免攻击报文将整个设备的MAC地址表填满。基于VLAN或接口进行MAC地址数限制，也可以应用在限制终端用户数的场景中。
基于VLAN或接口进行MAC地址数限制	基于VLAN或接口限制MAC地址数后，该VLAN或接口最多只能学习到指定限制数的MAC地址表项。MAC地址表项达到限制数时，设备会上报告警信息通知网络管理员进行维护。MAC地址表项达到限制数后，该VLAN或接口将不能再学习新的MAC地址表项，同时源MAC地址不包含在MAC地址表中的报文将被丢弃。

MAC地址漂移

什么是MAC地址漂移

MAC地址漂移是指设备上一个VLAN内有两个端口学习到同一个MAC地址，后学习到的MAC地址表项覆盖原MAC地址表项的现象。图1所示，MAC地址为00e0-fc12-3456，VLAN ID为2的表项，出接口由10GE1/0/1刷新为10GE1/0/2，这就是MAC地址漂移。设备出现MAC地址漂移时，设备CPU占用率会有不同程度的升高。

正常情况下，网络中不会在短时间内出现大量MAC地址漂移的情况。出现这种现象一般都意味着网络中存在环路，可以通过查看告警信息和漂移记录，快速定位和排除环路。

图1 MAC地址漂移示意图

如何进行MAC地址漂移检测

MAC地址漂移检测是利用MAC地址出接口跳变的现象，检测MAC地址是否发生漂移的功能。

配置MAC地址漂移检测功能后，在发生MAC地址漂移时，可以上报包括MAC地址、VLAN，以及跳变的接口等信息的告警。其中跳变的接口即为可能出现环路的接口。网络管理员可以根据告警信息，手工排查网络中环路的源头，也可以使用MAC漂移检测提供的后续动作，使跳变的端口down或者VLAN从端口中退出，实现自动破环。

图2 MAC地址漂移检测组网图

如图2网络中，若SwitchC和SwitchD之间误接网线，则SwitchB、SwitchC、SwitchD之间形成环路。当SwitchA上Port1接口从网络中收到一个广播报文后转发给SwitchB，该报文经过环路，会被SwitchA上Port2接口收到。配置MAC地址漂移检测功能，SwitchA就会感知到MAC地址出接口跳变的现象。若连续出现此现象，SwitchA就会上报MAC漂移告警，提醒管理员进行维护。

MAC刷新ARP

在以太网中，主机设备是根据MAC地址来发送、接收以太网数据帧。ARP用于提供IP地址到MAC地址的映射。当不同网段间通信时，需要使用ARP表项来将IP地址映射到正确的MAC地址及相应的出接口上。

一般来说设备上的MAC表项和ARP表项的出接口是一致的。如图1所示，在T1时间点，MAC地址表项和ARP表项的出接口是一致的，都是10GE1/0/1。当端口切换后，在T2时间点，MAC地址表项的出接口在收到报文时立即刷新为10GE1/0/2，但是ARP表项的出接口还是10GE1/0/1，需要等待T3时间点即ARP表项的老化时间到达后，通过ARP老化探测，才会刷新为10GE1/0/2。这样就在T2时间点和T3时间点之间，ARP表项的出接口是不可用的，会导致不同网段间设备的通信中断。

图1 配置MAC刷新ARP功能之前

MAC刷新ARP可以实现在MAC出接口更新时，直接刷新ARP表项的出接口的功能。如图2所示，在配置MAC刷新ARP功能后，在T2时间点，MAC地址表项出接口刷新为10GE1/0/2后，直接把ARP表项的出接口刷新为10GE1/0/2。解决了T2时间点和T3时间点之间，ARP表项出接口不可用的问题，避免了业务通信的中断。

图2 配置MAC刷新ARP功能之后

在数据中心虚拟化场景中，当VM位置发生迁移时，如果VM不能及时发送免费ARP报文刷新网关设备上的ARP表项，可能会导致网络中用户流量的中断。这种情况下，只有等到网关设备上的ARP表项老化之后，通过ARP报文的交互，重新学习新的ARP表项。

配置MAC刷新ARP之后，VM位置发生迁移，当用户的二层流量刷新网关设备的MAC表项时，

ARP表项存在，MAC表项和ARP表项的出接口不一致，则通过MAC表项刷新ARP表项，更新出接口信息，加速三层流量的收敛。

ARP表项不存在，根据MAC查找广播抑制表，重新发起一次ARP探测，刷新ARP表项，更新出接口信息，加速三层流量的收敛。

MAC应用场景

介绍MAC地址漂移的应用场景。

MAC地址漂移检测

如图1所示，网络中两台LSW间网线误接形成了网络环路，引起MAC地址发生漂移、MAC地址表震荡。为了能够及时检测网络中出现的环路，可以在Switch上配置MAC地址漂移检测功能，通过检测是否发生MAC地址漂移来判断网络中存在的环路，从而排除故障。

图1 MAC地址漂移检测组网图

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